组合气动控制下超高层建筑风致响应及优化

发布时间：2020-04-10 05:24

【摘要】：20世纪以来,高层建筑的发展成为必然,社会发展的需求、科学技术的支持、资源环境与空间的思考促成了高层建筑的蓬勃发展。高层建筑因其体量和高度的强势,功能的密集,在设计与技术上具有很高的要求。在结构设计中,风荷载取代地震荷载成为高层建筑设计的控制因素,如何有效减小建筑表面风荷载是结构抗风设计的关键。本文的组合气动控制是指综合运用被动气动控制和主动吸气控制手段的一种新型的气动控制方法,其通过改变建筑外形并结合外界的辅助能量来改变建筑周围的流场,实现减小建筑表面风荷载和结构风致响应的目的。针对目前该方法仍停留在CFD数值模拟和试验相互验证的阶段,没有合适的理论定量分析吸气控制下的结构响应,本文从高层建筑响应角度研究组合气动控制效果,主要研究内容有以下三个方面:1、基于组合气动控制下5类模型(方形吸气、方形凹角吸气、方形切角吸气、Y形吸气和方形锥台吸气)的风洞试验数据,运用ANSYS有限元软件采用Newmark-β法完成了5类模型的风振响应分析,从高层建筑结构顶部位移和加速度响应的角度,分析了不同组合气动控制效果。在此基础上,考虑了结构频率、阻尼比和振型等结构参数对组合气动控制效果的影响,并给出了组合气动控制下高层建筑结构的体型系数和风振系数,为结构抗风设计方法和工程应用提供参考。2、在分析组合气动控制下各层风荷载频域特性的基础上,推导并建立了适用于组合气动控制的精细化层风力系数谱模型,该谱模型融合了层竖向相干函数、层风力系数均方根、层水平相干函数和形状参数,考虑了吸气流量系数C_Q、高度和外形的影响,能较好的反映组合气动控制下高层建筑结构风荷载在时间和空间上的关系。通过比较高层建筑精细化谱模型与时域分析响应计算结果的差异,评价了谱模型的适用性和精度。3、运用ISIGHT和Fluent联合仿真的方法,采用Evol进化算法,基于SST k-ω湍流模型,完成了对方形模型截面和立面最优吸气孔位置和最优吸气速度的优化,分析了组合气动控制机理,给出了方形模型最优吸气控制策略,为组合气动控制下高层建筑模型进一步的优化设计和实际工程的运用提供参考和依据。
【图文】：

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文三个方面[2][3]：结构措施、阻尼措施、气动控制(图 1-2)。1、结构措施：增加结构的质量和刚度、优化结构形式[4][5]；2、阻尼措施：添加耗能元件(速度相关型、调谐吸振型等)[6]；3、气动控制：气动外形的调整、主动气动控制手段[7][8]。

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文一采用被动气动控制或者结构被动的耗能减振措施，虽然具有较好的可靠性成本较低，但是其控制效果单一，针对特定频率极端风场下的控制效果并不明显；而单一采用主动气动控制虽然灵活性较高，，但因其稳定性、可靠性和经性问题，使得实际应用很困难。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU973.213

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